超算(suàn)有限元分(fēn)析系統SciFEA—石油行業應用(yòng)解決方案

1：行業計算(suàn)模拟現狀

随著(zhe)現代社會對(duì)石油資源需求的(de)不斷快(kuài)速增長(cháng)，采用(yòng)新的(de)技術發現石油資源、高(gāo)效開發和(hé)利用(yòng)石油資源是人(rén)們所關心的(de)實際課題。在石油行業，無論是上遊的(de)勘探開發、還(hái)是中遊的(de)油田開發、以及下(xià)遊的(de)石油煉化(huà)加工等環節有在利用(yòng)數值模拟技術進行輔助分(fēn)析和(hé)設計。可(kě)以說，以有限元、有限差分(fēn)、有限體積爲代表的(de)數值模拟技術已經滲透到石油工業的(de)方方面面。随著(zhe)找油、采油難度的(de)與日俱增，石油工業對(duì)數值模拟提出了(le)更艱巨的(de)要求，比如，用(yòng)新的(de)成油理(lǐ)論進行模拟分(fēn)析，發現油田新“大(dà)陸”，降低勘探風險；三次采油工藝的(de)多(duō)相多(duō)場(chǎng)模拟；特殊地質條件下(xià)的(de)油藏模拟；特殊地質條件下(xià)流體固體相互作用(yòng)；高(gāo)原條件下(xià)的(de)勘探開發工藝模拟等。總的(de)來(lái)說，需要考慮新的(de)計算(suàn)模型和(hé)計算(suàn)方法、需要考慮多(duō)個(gè)物(wù)理(lǐ)量相互作用(yòng)的(de)時(shí)空演化(huà)，這(zhè)些都是現有的(de)模拟手段需要發展和(hé)完善的(de)方向，以适應石油行業的(de)複雜(zá)的(de)計算(suàn)模拟需求。

2：解決方案

SciFEA軟件提供的(de)固體彈性、彈塑性、粘彈性模塊；傳熱(rè)模塊（穩态、瞬态）；滲流模塊（穩态、瞬态、線性、非線性）；電磁模塊（靜電、靜磁、時(shí)諧電磁、瞬态電磁）；熱(rè)固耦合模塊（穩态、瞬态、線性、非線性）、流固耦合（穩态、瞬态、線性、非線性）可(kě)以直接滿足石油行業固體、流體、傳熱(rè)、電磁、流固耦合、熱(rè)固耦合等方面的(de)計算(suàn)需求。

超算(suàn)科技爲用(yòng)戶提供針對(duì)石油行業計算(suàn)模拟的(de)特定的(de)處理(lǐ)技術，如考慮油田地質的(de)非均勻性；考慮斷層性質的(de)影(yǐng)響；考慮地下(xià)多(duō)尺度流動；考慮多(duō)尺度固體變形；考慮流動的(de)飽和(hé)度相關性等非線性特征；考慮各向異性和(hé)啓動壓力特征；考慮井群的(de)流動和(hé)固體變形；考慮鑽井井壁穩定性；考慮固體、流體、熱(rè)、水(shuǐ)化(huà)等物(wù)理(lǐ)場(chǎng)的(de)耦合等。

超算(suàn)科技針對(duì)石油工業計算(suàn)數學物(wù)理(lǐ)模型多(duō)、細、複雜(zá)的(de)特點，面向用(yòng)戶提供定制服務。用(yòng)戶可(kě)以根據研究開發問題的(de)需要提出自定義的(de)模型，超算(suàn)科技将根據用(yòng)戶模型提供專門的(de)解決方案。如考慮流體傳輸中的(de)流固耦合；稠油熱(rè)采中的(de)熱(rè)、流、固耦合；複雜(zá)的(de)物(wù)質驅替；新的(de)石化(huà)能源開發中的(de)模型建立與計算(suàn)分(fēn)析等。将用(yòng)戶關心的(de)計算(suàn)内容，根據用(yòng)戶要求集成在一個(gè)統一的(de)計算(suàn)環境中。

針對(duì)用(yòng)戶分(fēn)析精度的(de)要求，超算(suàn)科技提供用(yòng)戶定制化(huà)的(de)并行計算(suàn)模塊開發和(hé)并行計算(suàn)咨詢服務。并行計算(suàn)可(kě)以根據用(yòng)戶預算(suàn)的(de)情況提供基于機群的(de)MPI并行和(hé)基于GPU的(de)衆核并行兩種解決方案。

3：應用(yòng)案例

大(dà)慶油田鑽探集團測井公司

北京棕熊科技有限公司承擔了(le)大(dà)慶油田鑽探集團測井公司關于油水(shuǐ)井套損解釋預測方法與軟件研制項目，主要工作内容是進行流固耦合作用(yòng)下(xià)套管變形和(hé)應力模拟分(fēn)析，并與測井數據解釋進行對(duì)比，找出區(qū)域性套損的(de)規律，爲油田的(de)生産服務。

編制的(de)軟件分(fēn)析系統分(fēn)别對(duì)孔隙壓力、管内液柱壓力、地應力影(yǐng)響下(xià)套管的(de)應力分(fēn)布進行了(le)程序驗證，很好地保證了(le)求解程序的(de)正确性。分(fēn)析系統考慮了(le)開采壓力變化(huà)、地層傾角變化(huà)、砂岩尖滅及層間壓差等情況對(duì)套管的(de)影(yǐng)響。

模拟砂岩尖滅情況下(xià)套管X向應力分(fēn)布情況

模拟地層傾角情況下(xià)的(de)變形情況

研制的(de)油水(shuǐ)井套損磁測應力解釋預測系統

計算(suàn)得(de)到的(de)流固藕合作用(yòng)下(xià)應力随深度變化(huà)曲線

低滲透流固耦合數值模拟

大(dà)慶油田外圍油田存在著(zhe)典型的(de)低滲透各向異性特征。滲透率沿河(hé)道方向發育，同時(shí)，有明(míng)顯的(de)啓動壓力特征。項目根據外圍油田的(de)這(zhè)些特點采用(yòng)合适的(de)數學物(wù)理(lǐ)模型，對(duì)低滲透各向異性油田下(xià)的(de)注采引起的(de)流體壓力變化(huà)和(hé)地層變形和(hé)應力進行計算(suàn)模拟。

不同滲透主方向下(xià)模拟得(de)到的(de)流體壓力分(fēn)布

不同啓動壓力下(xià)模拟得(de)到的(de)流體壓力分(fēn)布

同時(shí)項目分(fēn)析套管所受的(de)各種載荷，通(tōng)過地質力學流固耦合模拟開發引起的(de)套管載荷，并和(hé)套管所受重力、地應力、流體壓力等載荷進行疊加，最終得(de)到由于開發引起的(de)套管應力變化(huà)。通(tōng)過和(hé)套管強度進行對(duì)比分(fēn)析，給出套管工作的(de)安全程度。

計算(suàn)選取的(de)某區(qū)塊

區(qū)塊有限元模型

區(qū)塊砂岩模型

 

軟化(huà)岩石井眼穩定性計算(suàn)和(hé)分(fēn)析

中石油鑽井研究院爲了(le)在一定程度上解決、緩解油田鑽井過程由井眼穩定問題帶來(lái)的(de)經濟及社會效益的(de)損失，委托北京棕熊科技有限公司開展井眼穩定計算(suàn)和(hé)分(fēn)析軟件研制工作。

軟件要求考慮應變軟化(huà)模型、采用(yòng)無限元考慮井筒和(hé)地層尺寸的(de)差異，同時(shí)需要運用(yòng)弧長(cháng)法計算(suàn)模拟井壁開挖後的(de)平衡路徑曲線。計算(suàn)表明(míng)：采用(yòng)力學穩定性計算(suàn)理(lǐ)論可(kě)以分(fēn)析岩石開挖過程的(de)的(de)臨界載荷，通(tōng)過計算(suàn)不同的(de)脆度可(kě)以得(de)到不同的(de)臨界載荷；随著(zhe)岩石脆度的(de)增大(dà)，井壁的(de)臨界坍塌壓力會随之降低，岩石脆度是影(yǐng)響井壁穩定性的(de)重要指标；岩石的(de)摩擦角的(de)降低，井壁的(de)臨界坍塌壓力會随之降低，影(yǐng)響摩擦角的(de)物(wù)理(lǐ)化(huà)學作用(yòng)将影(yǐng)響井壁的(de)穩定性。

塑性區(qū)雲圖

載荷位移曲線（理(lǐ)想彈塑性）

載荷位移曲線（應變軟化(huà)模型-川本模型）

4：攜手計算(suàn)

石油行業是聯系著(zhe)科學技術衆多(duō)領域的(de)一片沃土，既有地面又有地下(xià)，既有陸地又有海洋。因此，石油行業對(duì)計算(suàn)模拟的(de)需求是全方位、多(duō)層次的(de)，既有大(dà)空間維度又有大(dà)時(shí)間跨度，既有多(duō)相多(duō)場(chǎng)耦合又有海量計算(suàn)、分(fēn)析與存儲。石油工業對(duì)計算(suàn)模拟智能化(huà)、規模化(huà)的(de)要求從目前世界上頂級的(de)高(gāo)性能計算(suàn)機應用(yòng)可(kě)窺一斑。超算(suàn)科技将結合自身在計算(suàn)模拟技術方面的(de)積累，從我們擅長(cháng)的(de)幾個(gè)具體開發方向上和(hé)您攜手面向石油工業的(de)計算(suàn)模拟分(fēn)析與研究。

鑽井過程的(de)井壁穩定性；
地震波正演與反演分(fēn)析；
套損機理(lǐ)數值模拟研究；
油田生産開發中的(de)油藏模拟；

成功案例
一、 北京棕熊科技有限公司在2014年4月(yuè)承擔了(le)大(dà)慶油田工程有限公司關于大(dà)慶油田技術效率及科技規劃研究的(de)項目，主要工作内容是：1、基于數據挖掘的(de)方法；2、大(dà)慶油田科技成果指标體系的(de)建立；3、大(dà)慶油田科技規劃項目成果評價方法與研究；
二、 北京棕熊科技有限公司在2014年9月(yuè)承擔了(le)大(dà)慶油田有限責任公司的(de)套損預警及綜合管理(lǐ)系統項目，主要的(de)項目内容是分(fēn)析油田水(shuǐ)井大(dà)修業務邏輯關系和(hé)數據組成，對(duì)油水(shuǐ)井大(dà)修管理(lǐ)平台所涉及的(de)數據進行歸類，開發油田水(shuǐ)井大(dà)修運行平台的(de)多(duō)個(gè)模塊，分(fēn)析套損管理(lǐ)系統包含的(de)業務邏輯内容。